煤層淺埋區域鐵路隧道瓦斯探測分析

閆常赫

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

山西中南部鐵路通道是國家鐵路網規劃的重點項目,地處華北地區南部,西起晉中南地區,東至山東日照港口,形成了“西煤東運”的能源運輸動脈,先后穿越呂梁山、太岳山、太行山及沂蒙山,沿線地質條件復雜。其中太岳山區域,走向近南北,山勢陡峭,高程2 000～2 500 m,地質條件主要為二疊系下統石盒子組含煤線,二疊系下統山西組、石炭系上統太原組含煤地層,具良好的生氣條件。且該區域斷層及褶皺較發育,部分位置巖體破碎,易于瓦斯儲存。開展瓦斯探測的工作對鐵路線路方案制定、隧道施工安全和今后的運營安全影響較大。

1 太岳山隧道區域主要地質條件分析

太岳山走向近南北,西翼以霍山大斷裂與盆地相接,山勢陡峻；東翼為單面山,山勢低緩。太岳山頂高程2 000～2 500 m,相對高差1 000～1 500 m。巖性主要為中生界三疊系劉家溝組紫紅色、淡紫紅色中—厚層狀細—中粒鈣質、鈣鐵質膠結長石石英砂巖；上古生界二疊系石千峰組底層為一套干旱氣候的廣闊湖相沉積,厚100 m左右,多數地區除底部砂巖呈黃綠色活部分黃綠色外其余為紫紅色；上統石盒子組雜砂巖、長石石英砂巖及黃綠色、紫紅色砂質頁巖交互組成；下統上石盒子組長石雜砂巖、長石石英雜砂巖、砂質頁巖等各種巖性交互組成；二疊系下統下石盒子組具紫紅色斑團黃綠色頁巖,下部為灰白色、黃綠色厚層狀砂巖灰色頁巖,山西組黃綠色和灰色頁巖；上古生界石炭系上統太原組灰白色中粗粒砂巖,炭質頁巖,局部泥質灰巖。

其中二疊系下統石盒子組含煤線,二疊系下統山西組、石炭系上統太原組均為含煤地層,具良好的生氣條件。太岳山隧道進口段和洞身段穿越含煤線地層,在路肩下36～110 m下伏含煤地層。據古縣、安澤煤礦瓦斯鑒定資料,瓦斯絕對涌出量0.31～4.68 m3/min,瓦斯相對涌出量2.19～8.36 m3/t。CK387～CK398,CK387～CK398為太岳山坳緣翹起帶,巖層陡傾,斷層發育,巖體破碎,瓦斯易于富集,CK387～CK420為寬緩的郭道-安澤近南北向復式背斜,瓦斯易于儲存。

2 施工工藝流程

太岳山隧道TYYSZ-2深孔,地處太岳山(安澤縣境內),位于初測線路左側20.7 m,地面高程1 074.2 m,設計鉆孔深度300 m。該處為斷層f岳12的斷層影響帶,推測斷層帶物質主要為壓碎巖,為瓦斯富集區域。考慮經濟因素,充分發揮一孔多用的功效,本孔鉆探的主要目的是查明巖性特征、斷層位置、基巖含水量,并進行工程綜合測井(包括電阻率、自然伽瑪、巖石密度、井徑、井溫、聲波及地震測),同時進行瓦斯探測等分析,根據鉆探目的制定了成孔流程圖,成孔及實驗過程如圖1所示。

圖1 成孔及實驗過程流程

3 氣測錄設備及其原理

3.1 紅外氣測錄設備工作原理

紅外氣體分析是利用被測氣體對紅外光的特征吸收而實現氣體分析。它基于待分析組分的濃度不同,吸收的輻射能不同。剩下的輻射能使得檢測器里的溫度升高不同,動片薄膜兩邊所受的壓力不同,從而產生一個電容檢測器的電信號。當對應某一氣體特征吸收波長的光波通過被測氣體時,其強度將明顯減弱,強度衰減程度與該氣體體積分數有關。根據對透射光強度的測試,可確定被測氣體的體積分數,其基本原理及結構如圖2所示。

圖2 紅外感應氣測原理圖示

3.2 氣測錄設備工作流程

SLXL-3小型錄井儀整機由五部分組成,即氣體分析單元、計算機系統、防爆接口箱、傳感器和信號傳輸線。其中氣體分析單元為該儀器的核心部分,完成烴類氣體的凈化處理、干燥吸入和百分濃度含量的檢測及數據處理和顯示,同時為防爆接口箱提供 +5 V和 +24 V工作電源。計算機系統完成烴類氣體濃度信號和傳感器信號的采集、存儲和遠程傳輸。防爆接口箱是傳感器信號的采集、處理和數據傳輸中間單元。儀器的工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程

在實際工作中,脫氣機盡可能靠近鉆孔,如圖4所示,以在鉆孔流上來的泥漿中提取氣體樣本,經處理后氣體通過氣泵導入氣體分析單元,經信號轉變之后傳入計算機系統,如圖5所示。

圖4 氣體采集器

圖5 氣體分析設備

4 勘察結果分析

4.1 巖芯狀況分析

該鉆孔位于斷層f岳12的斷層影響帶上,巖性主要為Q3al+pl黃土和上石盒子組三段(P2S3)和二段(P2S2)的砂巖夾泥巖或泥質頁巖,其中泥巖占總巖芯長度的30%。受斷裂帶影響,多數砂巖巖芯較破碎(如圖6所示),泥巖及泥質頁巖取芯時相對完整,但風化很快(如圖7所示)。其中砂巖主要為青灰色、灰白色、淺黃色,中粗粒結構,少部分為細粒結構,以長石、石英為主,多數較破碎,垂直及斜交裂隙發育,未充填。砂巖中破碎占總數的30%,較破碎的占50%,較完整的占20%。泥巖和泥質頁巖主要為深灰色、紫紅色,泥質結構,薄層狀構造,部分略帶砂感,斜交裂隙發育,部分表面光滑。

圖6 破碎的砂巖

圖7 風化的泥巖

4.2 瓦斯含量和巖性特征的關系

不同特征的巖層中瓦斯含量不同,測試的巖層含氣量對應關系如圖8所示,從圖8中可以看出,較完整的巖層里面瓦斯濃度較低,較破碎的巖層中易于瓦斯儲存。泥巖中瓦斯濃度較低,砂巖中瓦斯濃度偏高,巖層破碎、裂隙發育的砂巖中有利于瓦斯氣體的貯存。破碎的巖體厚度越大越有利于瓦斯氣體的存儲,破碎巖體偏薄時,不利于瓦斯濃度的提高。在改探測孔中,總體瓦斯成分以重烴為主,較厚的破碎砂巖中較利于輕烴的存儲,此時輕烴成為瓦斯氣體的主要成分。較厚的破碎泥巖中較利于重烴濃度的提高,重烴容易貯存在破碎的泥巖之中。

圖8 巖性特征含氣量對應

4.3 烴含量隨深度變化規律

在氣測錄過程中,氣測設備會隨著鉆孔深度的不斷加深,每米分析一次氣體中的瓦斯含量,輕烴、重烴和全烴的濃度隨鉆孔深度的變化如圖9所示。從圖9中可以看出,重烴含量隨鉆孔深度的變化不大,只是在局部變化明顯,主要集中在厚度較大的破碎帶中。輕烴在多數位置含量較低,只是在局部含量較大,成為瓦斯的主要成分,主要集中在厚度較大且破碎的中粗粒結構的砂巖中,其最小含量為0,最大含量約為0.15%。總瓦斯濃度隨輕烴含量的變化明顯,隨重烴含量的變化不是很明顯。

4.4 含氣段異常狀況分析

從氣測錄井來看,該井氣測顯示共5層,如表1所示。該氣測錄孔深度共300 m,從基巖處開始對瓦斯濃度進行監測,總共氣測錄采集深度276 m。含氣層總厚度為9 m,均位于粗粒結構、中粒結構且比較破碎的砂巖中,占總監測深度的3.3%,最大瓦斯濃度為0.164%,位于鉆孔的225～227 m深度處,該處主要為破碎的中粒結構砂巖。

圖9 輕烴、重烴、全烴含量隨深度變化

5 誤差分析

考慮到勘察的經濟因素,該孔結合了巖芯鉆孔、綜合測井、氣測錄井和抽水試驗于一體,對該線路經過的f岳12斷層影響帶的地質條件進行了勘察分析,取得了理想的勘察成果。但是由于該孔不是專門的氣測錄孔,對氣測錄的效果有一定的影響。主要表現在：

(1)為準確探明該區域的巖層特征,為保證有較高的巖芯采取率,對單次進尺有一定的要求,而頻繁的提鉆使得內外氣體不斷交換,導致所檢測到的瓦斯氣體濃度偏低。

(2)該氣測錄孔是在泥漿中抽取一定量的氣體進行瓦斯含量分析,泥漿在從鉆孔底部上升到頂部需要一定的時間,盡管進行了時間遲到修正,但難免修正不太準確,導致巖芯狀態和氣測錄結果的對應上有一定的偏差。

(3)該氣測錄措施采用的是間接測試,并非直接檢測巖層裂隙中的氣體,泥漿對氣體的吸收量和泥漿對瓦斯氣體的吸收率直接影響了測試結果,使得所檢測的瓦斯氣體濃度偏低。

表1 異常瓦斯含氣段分析

6 結論

以山西中南部鐵路太岳山隧道勘察項目為依托,在分析了該區域地質條件的前提下,采用紅外氣體分析儀對其瓦斯含量進行探測分析,分析了巖層特性及瓦斯含量及主要成份的對應關系,解釋了含氣量隨鉆孔深度不斷變化的規律,并針對整個勘察過程,分析了可能存在的誤差影響因素。主要得出如下結論：

(1)較破碎的砂質巖層易于瓦斯氣體的貯存,且隨著破碎帶厚度的增加,越利于瓦斯氣體的聚集,完整的砂巖和泥巖區域不易于瓦斯氣體的儲存。

(2)經探測分析,該氣測錄孔有3個含氣層和2個可疑含氣層,總含氣層厚度9 m,占總監測深度的3.3%,最大瓦斯濃度為0.16%,對隧道方案制定、設計、施工有一定的影響。

該孔為一孔多用,對瓦斯氣體檢測較為理想,但由于瓦斯有流動運移特性,隨各因素的影響較大,其在地層中的分布不均一,因此單一鉆孔勘測不足以說明問題,需要在詳細查明的地質構造基礎上進行詳細勘測。為保證勘測方案合理和施工及運營的安全,需要深度探測瓦斯含量及其變化規律,并在施工過程中做好安全保障工作。

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